不同計算模型對異形柱結構體系抗震分析的影響

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簡介： 鋼筋混凝土異形柱指的是除矩形、圓形以外的截面形式，如T形、十字形、L形等截面形式，僅由鋼筋混凝土異形柱作為豎向構件組成的結構體系，稱之為異形柱框架結構，它一般可用于多層住宅等。除此以外，異形柱結構體系還包括框架-斜撐及框架-剪力墻結構體系，可用于小高層或高層住宅。由于這種結構體系采用與填充墻同厚的T形、十字形、L形柱，它不僅具有可使室內不出現(xiàn)柱楞，又可增加使用面積的特點，而且具有改善建筑功能并使室內布置靈活的特性，受到建筑師、開發(fā)商以及廣大用戶的歡迎。雖然這種結構體系趨于定型只是近幾年的事，但已在天津、廣州等地得到廣泛的應用，并編制了相應的設計規(guī)程。
關鍵字：異形柱 結構設計 抗震分析

1 前言

　　研究表明，異形柱結構體系的受力特性和抗震性能不同于矩形柱結構體系，而由于異形柱截面的不對稱特性，在水平地震荷載作用下產生的雙向偏壓給框架柱承載力帶來的影響更不容忽視。所以，對異形柱結構應采用三維整體分析的方法，目前能用于這種結構抗 震分析的常用軟件有TAT、SATWE等。

　　由于在實際工作中，所布置的往往不全是異形柱，其中經(jīng)常會混合采用墻肢相對較長的剪力墻。在這類結構的計算模型輸入時，有的設計人員往往把異形柱按短肢剪力墻輸入，有的甚至將異形柱框架結構全部按短肢剪力墻輸入，這樣勢必造成一些計算誤差，而且發(fā)現(xiàn)有些構件的計算誤差會影響結構、構件的安全。為此，本文利用一組算例，分析了采用不同輸入方式(即采用不同的計算模型)對結構抗震分析結果的影響，以便引起設計人員的重視。

2 計算模型及基本計算參數(shù)

　　(1)計算模型：根據(jù)目前用于多層住宅的異形柱框架結構的實際情況，為便于分析、比較，本文選取一個柱網(wǎng)尺寸為3.6m×4.2m，共8層的異形柱框架結構，層高2.8m，計算中分別按異形柱和剪力墻兩種形式輸入，以下將采用異形柱形式輸入的結構稱為模型一，以剪力墻形式輸入的結構稱為模型二。分別采用TAT和SATWE軟件進行抗震分析比較。

　　(2)基本計算參數(shù)：假設該結構所處場地土類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為7度，梁截面尺寸均為150mm×370mm。整個結構的混凝土強度等級為C20。計算用樓面靜、活荷載標準值分別取3.9kN/m2、1.5kN/m2。梁上墻的線荷載標準值取7.3kN/m2。

3 計算結果及比較

　　(1)自振周期：從表1可以看到，當采用TAT計算時，由于薄壁桿件模型剛度明顯較異形柱大，模型二的結構整體剛度較模型一大得多，反映在結構自振周期上，模型二的自振周期較模型一小6.3%～17.6%；當采用SATWE計算時，由于采用墻板單元模擬剪力墻受力，模型二的自振周期有明顯增加，最大增幅達22.2%。模型一的自振周期變化不大。從理論上說，TAT和SATWE在對異形柱框架結構計算時采用相同的計算模型，計算結果應該相同，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，之所以產生上述誤差是因為在SATWE軟件中扣除梁與異形柱剛域的重疊部分重量，而TAT沒有。在以下的計算結果中還可以看到這種誤差所產生的影響。

　　(2)地震作用：從表2可以看到，采用TAT計算時，模型二基底總地震剪力和彎矩較模型一大得多，兩組結果間相差最大的可達15.4%。這是因為模型二的結構剛度較模型一大，從而使自振周期變短，地震反應加強的緣故。當采用SATWE計算時，模型二的基底地震總剪力和彎矩明顯下降，最大下降幅度為21.5%，而模型一的地震作用變化不大。

　　(3)結構側移：從表3可以看到，當采用TAT計算時，模型二的結構頂點位移及最薄弱層的層間位移角均較模型一小得多，減少的幅度在13.5%～41.9%之間。值得注意的是，采用SATWE計算時，模型一在風荷載作用下的結構頂點位移較TAT計算結果大得多，兩者相差達23.0%。

　　(4)結構內力：從表4、表5可以看到，當采用TAT計算時，模型二墻肢的軸壓力較模型一均略有減少，而采用SATWE計算時，結果則基本相反；對梁的內力來說，無論那一個軟件計算，其內力相差均較大，由于在模型二中梁長取墻肢端點長度，模型一中梁長取兩端異形柱形心長度，所以，模型二的內力較模型二小得多，這對于以剪力墻形式代替異形柱輸入的工程來說，需引起必要的重視，不然會存在安全隱患。

4 結 語

　　上述算例分析表明，不同的計算模型無論對異形柱結構體系的自振周期、結構側移，還是基底彎矩和剪力、梁柱內力都產生很大的影響。因此，在實際工程抗震分析時，需要注意以下幾點：①對于肢長與肢寬之比不大于4的異形柱，由于它已接近柱的特征，應采用異形柱形式輸入；②對于肢長與肢寬之比稍大于4的短肢剪力墻不應采用過高的軸壓比，宜按異形柱套用；③對異形柱結構體系，宜采用兩種不同計算模型的軟件進行計算，以便校核；④在套用現(xiàn)行規(guī)范或參照天津或廣東規(guī)程時，應注意它們之間存在的差異。同時筆者建議，國家對異形柱結構體系應形成相應的規(guī)范條文，以便促進這種結構體系的健康發(fā)展。